Войти
Ядерный магнитный резонанс углерода-13 (C13) (чаще всего известен как углерод-13 ЯМР или C ЯМР или иногда просто называемый углеродный ЯМР ) представляет собой применение спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) к углероду.. Он аналогичен протонному ЯМР (. H. ЯМР) и позволяет идентифицировать атомы углерода в органической молекуле так же, как протонный ЯМР идентифицирует атомы водорода.. Как таковой 13С ЯМР является важным инструментом в выяснении химической структуры в органической химии. C ЯМР обнаруживает только . C. изотоп углерода, естественное содержание которого составляет всего 1,1%, потому что основной изотоп углерода . C. не обнаруживается методом ЯМР, поскольку его ядро имеет нулевой спин.
C химические сдвиги следуют тем же принципам, что и H, хотя типичный диапазон химических сдвигов составляет намного больше, чем для H (примерно в 20 раз). Эталонным стандартом химического сдвига для C являются атомы углерода в тетраметилсилане (TMS), химический сдвиг которого считается равным 0,0 ppm.
Типичные химические сдвиги в C-ЯМР
C-ЯМР имеет ряд осложнений, которые не встречаются в протонном ЯМР. ЯМР 13С гораздо менее чувствителен к углероду, чем ЯМР 1Н к водороду, поскольку основной изотоп углерода, изотоп С, имеет спиновое квантовое число , равное нулю, и поэтому не является магнитоактивным и поэтому не обнаруживается с помощью ЯМР.. Только гораздо менее распространенный изотоп C, присутствующий в природе в естественном содержании 1,1%, является магнитоактивным со спиновым квантовым числом 1/2 (как H) и, следовательно, обнаруживается методом ЯМР. Следовательно, только несколько присутствующих ядер C резонируют в магнитном поле, хотя это можно преодолеть, например, изотопным обогащением протеин образцы. Кроме того, гиромагнитное отношение (6,728284 · 10 рад Т · с) составляет только 1/4 гиромагнитного отношения H, что еще больше снижает чувствительность. Общая восприимчивость к C примерно на 4 порядка ниже, чем у H.
Магниты с сильным полем с внутренними отверстиями, способными принимать пробирки с образцами большего размера (обычно диаметром 10 мм для C ЯМР по сравнению с 5 мм для H ЯМР), использование релаксационных реагентов, например Cr (acac) 3(ацетилацетонат хрома (III) ), и соответствующих импульсных последовательностей сократило время, необходимое для получения количественных спектров, и сделало количественный ЯМР углерода-13 широко используемым методом во многих промышленных лабораториях. Области применения варьируются от количественной оценки чистоты лекарственного средства до определения состава высокомолекулярных синтетических полимеров.
При типичном опыте с органическим соединением C ЯМР может потребоваться несколько часов для записи спектра. 1 миллиграмм образца по сравнению с 15-30 минутами для H ЯМР, и этот спектр будет более низкого качества. ядерный диполь слабее, разница в энергии между альфа- и бета-состояниями составляет одну четверть от энергии протонного ЯМР и, соответственно, больцмановская разница заселенностей меньше.
Другое возможное осложнение возникает из-за наличия большой константы одинарной связи J-связи между углеродом и водородом (обычно от 100 до 250 Гц). Чтобы подавить эти связи, которые в противном случае усложнили бы спектры и еще больше снизили бы чувствительность, спектры ЯМР углерода обычно разделены протонами для устранения расщепления сигнала. Связями между атомами углерода можно пренебречь из-за низкого естественного содержания C. Следовательно, в отличие от типичных протонных ЯМР-спектров, которые показывают мультиплеты для каждого положения протона, углеродные ЯМР-спектры показывают единственный пик для каждого химически неэквивалентного атома углерода.
В отличие от H ЯМР, интенсивности сигналов обычно не пропорциональны количеству эквивалентных атомов C, а вместо этого сильно зависят от количества окружающих спинов (обычно H). При необходимости спектры можно сделать более количественными, давая ядрам достаточно времени для релаксации между повторными сканированиями.
Наиболее распространенными режимами записи C-спектров являются развязка протонного шума (также известная как шумовая, протонная или широкополосная развязка), нерезонансная развязка и развязка со стробированием. Эти режимы предназначены для работы с большими значениями J для C - H (110–320 Гц), C - C - H (5–60 Гц) и C - C - C - H (5–25 Гц), которые в противном случае делают полностью связанные протонами C-спектры трудно интерпретировать.
При разделении протонов и шумов, при котором обрабатывается большинство спектров, шуморазделитель сильно облучает образец широким (приблизительно 1000 Гц) диапазоном радиочастот, охватывающим весь диапазон (например, 100 МГц для поля 23 486 Гаусс), при котором протоны меняют свой ядерный спин. Быстрые изменения спина протона создают эффективное гетероядерное разделение, увеличивая силу сигнала углерода за счет ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) и упрощая спектр, так что каждый неэквивалентный атом углерода дает синглетный пик. Относительные интенсивности ненадежны, потому что некоторые атомы углерода имеют большее время спин-решеточной релаксации, а другие - более слабое усиление NOE.
При стробированной развязке шумовой развязатель стробируется на ранней стадии свободной индукции. задержка, но отключена для задержки импульса. Это в значительной степени предотвращает усиление NOE, позволяя значимо сравнивать силу отдельных пиков C путем интегрирования за счет от половины до двух третей общей чувствительности.
При нерезонансной развязке шумовой развязатель излучает образец на частоте 1000–2000 Гц в сильном поле или 2000–3000 Гц в нижнем поле резонансной частоты протонов. Это сохраняет связи между протонами, непосредственно прилегающими к атомам C, но чаще всего удаляет другие, позволяя визуализировать узкие мультиплеты с одним дополнительным пиком на связанный протон (если связанные протоны метилена не являются неэквивалентными, и в этом случае может наблюдаться пара дублетов).
Различные спектры DEPT пропилбензоата. Сверху вниз: 135 °, 90 ° и 45 ° Улучшение без искажений с помощью поляризации перенос (DEPT) представляет собой метод ЯМР, используемый для определения присутствия первичных, вторичных и третичных атомов углерода. Эксперимент DEPT различает группы CH, CH 2 и CH 3 за счет изменения параметра угла выбора (угол окончания конечного импульса H): угол 135 ° дает все CH и CH 3 в фазе, противоположной CH 2 ; Угол 90 ° дает только группы CH, остальные подавляются; Угол 45 ° дает всем атомам углерода с присоединенными протонами (независимо от их числа) в фазе.
Сигналы от четвертичных атомов углерода и других атомов углерода без присоединенных протонов всегда отсутствуют (из-за отсутствия присоединенных протонов).
Передача поляризации от H к C имеет вторичное преимущество, заключающееся в увеличении чувствительности по сравнению с нормальным спектром C (который имеет умеренное усиление по сравнению с ядерным эффектом Overhauser (NOE) из-за H развязка).
Еще один полезный способ определения количества протонов, с которыми связан углерод в молекуле, заключается в использовании теста присоединенных протонов (APT), который различает атомы углерода с четным или нечетным числом присоединенных атомов водорода. Правильная последовательность спин-эхо способна различать спиновые системы S, I 2 S и I 1 S, I 3 S: первая будет выглядеть как положительные пики в спектре, а последние - как отрицательные пики (направленные вниз), сохраняя при этом относительную простоту спектра, поскольку он все еще является развязанным широкополосным протоном.
Несмотря на то, что этот метод не позволяет полностью различить группы CH n, он настолько прост и надежен, что его часто используют в качестве первой попытки сопоставить пики в спектре и выяснить структуру. Кроме того, сигналы от четвертичных атомов углерода и других атомов углерода без присоединенных протонов все еще обнаруживаются, поэтому во многих случаях дополнительный обычный спектр углерода не требуется, что является преимуществом перед DEPT. Однако иногда возможно, что сигнал CH и CH 2 имеет совпадающие эквивалентные химические сдвиги, приводящие к аннулированию в спектре APT из-за противоположных фаз. По этой причине иногда также получают обычный спектр C {H} или HSQC.
